一种红外双分辨率光学成像系统的制作方法

1.本发明属于红外光学成像技术领域的一种光学成像系统，涉及一种成像波段为8
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14um的双分辨率的红外光学成像系统，适用于双像面红外成像相机。


背景技术：

2.红外成像系统能够应对夜间、雾天等复杂场景的成像任务，可以被广泛应用在军事侦查、医学成像、交通监控、无人驾驶等领域。如果对红外成像系统有兼具宽视场和高分辨特点的要求，一般采用的办法有两种：第一种是采用扫描光学系统，这种方法通过线扫描方式实现场景的成像，这种方法仅适用于静态场景，成像时间长，时间分辨低，不适用于视频成像；第二种方法是采用红外相机阵列进行成像，可以重构出宽视场高分辨图像，这种方法的缺点是系统成本高昂、结构复杂。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中存在的问题，满足提高红外成像质量的需要，本发明提出了一种红外双分辨率光学成像系统。该系统是具有双焦距的红外光学系统，结合图像融合方法增强红外成像质量。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.所述的红外双分辨成像系统主要由前置红外镜头组、分光棱镜、长焦红外镜头组、长焦红外像面、短焦红外镜头组、短焦红外像面组成，光束入射到前置红外镜头组，经前置红外镜头组透射后到分光棱镜发生反射和透射，分光棱镜的透射光经长焦红外镜头组后入射到长焦红外像面，分光棱镜的反射光经短焦红外镜头组后入射到短焦红外像面。
6.所述的红外双分辨成像系统以一个分光棱镜为核心器件，将前置红外镜头组捕获的光线通过分光棱镜的透射和反射作用后分别传入到长焦红外镜头组和短焦红外镜头组中，再在长焦红外像面上进行高分辨成像，在短焦红外像面上进行宽视场成像，进而利用高分辨成像和宽视场成像实现红外双分辨成像。
7.所述的前置红外镜头组主要由第一凹透镜和第二凹透镜构成，光束依次经第一凹透镜和第二凹透镜后入射到分光棱镜，第一凹透镜和第二凹透镜凹面均朝向分光棱镜一侧布置。
8.所述的长焦红外镜头组主要由第一光阑、第一凸透镜、第三凹透镜、第四凹透镜和第二凸透镜构成，分光棱镜的透射光依次经第一光阑、第一凸透镜、第三凹透镜、第四凹透镜和第二凸透镜后入射到长焦红外像面；第一凸透镜和第二凸透镜至少一侧的凸面朝向分光棱镜一侧布置，第三凹透镜的凹面朝向分光棱镜一侧布置，第四凹透镜的凹面朝向长焦红外像面一侧布置。
9.所述的短焦红外镜头组主要由第二光阑、第五凹透镜、第六凹透镜、第七凹透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和第八凹透镜构成，分光棱镜的反射光依次经第二光阑、第五凹透镜、第六凹透镜、第七凹透镜、第三凸透镜、第四凸透镜和第八凹透镜后入射到短焦红外像
面；第五凹透镜、第六凹透镜、第七凹透镜的凹面朝向短焦红外像面一侧布置，第八凹透镜的凹面朝向分光棱镜一侧布置。
10.所述的短焦红外镜头组中，第三凸透镜、第四凸透镜的两侧表面均为凸面。
11.所述的长焦红外像面和短焦红外像面的中心位于红外双分辨成像系统的光轴上。
12.所述的分光棱镜采用硒化锌(znse)作为材料；前置红外镜头组中的第一凹透镜和第二凹透镜的材料分别采用硒化锌(znse)和砷化镓(gaas)作为材料；长焦红外镜头组的第一凸透镜、第三凹透镜、第四凹透镜的材料都是硒化锌(znse)，第二凸透镜的材料是锗(germanium)；短焦红外镜头组中的第五凹透镜、第六凹透镜、第七凹透镜、第八凹透镜的材料都是硒化锌(znse)，第三凸透镜的材料是锗(germanium)，第四凸透镜的材料是砷化镓(gaas)。
13.在分别通过长焦红外像面和短焦红外像面获得长焦红外图像和短焦红外图像后，将长焦红外图像和短焦红外图像输入到图像融合方法处理获得最终高分辨率的图像结果。图像融合方法的输入是长焦红外图像和短焦红外图像，输出是最终的红外双分辨图像。
14.所述的图像融合方法采用卷积神经网络进行，具体可采用双焦相机连续数字变焦方法在完成图像融合的过程中，实现镜头的数字变焦。
15.结合本发明装置，采用方法能够提高红外成像的分辨率，解决了现有技术中红外成像分辨率低的技术问题。
16.本发明的有益效果是：
17.本发明是一种红外双分辨率成像系统，采用共轴双像面结构，由十二片光学镜片、一个光学棱镜组成。可以获取场景大视场低分辨率、中心小视场高分辨率的图像。利用光学系统中的棱镜，场景中的光能量分别反射和透过到两个相互垂直的像面，且可以通过镀膜技术实现双光路能量比例的调节。
18.本发明是一种红外双分辨率成像系统，系统内部的分光棱镜分光面可以通过镀膜技术实现反射光能量和透射光能量比例的调节。
19.本发明是一种红外双分辨率成像系统，系统的短焦镜头组完成场景的宽视场信息获取，长焦镜头完成对于场景的高分辨信息获取，实现了对于场景宽视场信息和高分辨信息的同时获取。
20.本发明光学系统能实现双分辨率红外成像，同时共光轴结构使得图像配准计算量较小、精度更高，为图像融合处理提供更有利的条件，保证红外成像质量的提升效果，解决了现有技术中红外成像分辨率低的技术问题。
附图说明
21.图1为本发明的光路原理示意图。
22.图2为本发明中长焦部分的等效光路示意图。
23.图3为本发明中短焦部分的等效光路示意图。
24.图4为本发明中长焦(高分辨)部分的mtf曲线图。
25.图5位本发明中短焦(宽视场)部分的mtf曲线图。
26.图中：第一凹透镜1、第二凹透镜2、分光棱镜3、第一光阑4、第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7、第二凸透镜8、长焦红外像面9、第二光阑10、第五凹透镜11、第六凹透镜
12、第七凹透镜13、第三凸透镜14、第四凸透镜15、第八凹透镜16、短焦红外像面17。
具体实施方式
27.以下结合附图对本发明作进一步说明。
28.如图1所示，红外双分辨成像系统主要由前置红外镜头组、分光棱镜3、长焦红外镜头组、长焦红外像面9、短焦红外镜头组、短焦红外像面17组成，光束入射到前置红外镜头组，经前置红外镜头组透射后到分光棱镜3发生反射和透射，分光棱镜3的透射光经长焦红外镜头组后入射到长焦红外像面9，分光棱镜3的反射光经短焦红外镜头组后入射到短焦红外像面17。长焦红外像面9和短焦红外像面17的中心位于红外双分辨成像系统的光轴上。
29.前置红外镜头组主要由第一凹透镜1和第二凹透镜2构成，光束依次经第一凹透镜1和第二凹透镜2后入射到分光棱镜3，第一凹透镜1和第二凹透镜2凹面均朝向分光棱镜3一侧布置。
30.长焦红外镜头组主要由第一光阑4、第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7和第二凸透镜8同光轴布置构成，分光棱镜3的透射光依次经第一光阑4、第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7和第二凸透镜8后入射到长焦红外像面9；第一凸透镜5和第二凸透镜8至少一侧的凸面朝向分光棱镜3一侧布置，第三凹透镜6的凹面朝向分光棱镜3一侧布置，第四凹透镜7的凹面朝向长焦红外像面9一侧布置。
31.短焦红外镜头组主要由第二光阑10、第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13、第三凸透镜14、第四凸透镜15和第八凹透镜16同光轴布置构成，分光棱镜3的反射光依次经第二光阑10、第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13、第三凸透镜14、第四凸透镜15和第八凹透镜16后入射到短焦红外像面17；第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13的凹面朝向短焦红外像面17一侧布置，第八凹透镜16的凹面朝向分光棱镜3一侧布置。短焦红外镜头组中，第三凸透镜14、第四凸透镜15的两侧表面均为凸面。
32.参见图1，物方景物发出的红外光经前置红外镜头组汇聚成像，经分光棱镜3，部分光能量透射过棱镜，进入长焦红外镜头组，在长焦红外像面9上形成景物的红外图像；部分光能量反射从棱镜上方通过，经短焦红外镜头组，在短焦红外像面17上形成景物的红外图像。长焦红外像面9和短焦红外像面17具有共轭性，其捕获的图像的中心位置重合于光轴，其中长焦红外像面9获得的图像具有高分辨窄视场的特点，短焦红外像面17获得的图像具有低分辨宽视场的特点。可利用图像融合方法来处理长焦红外像面9和短焦红外像面17捕获的图像信息，获得高分辨率宽视场的红外图像。
33.参见图2，长焦部分的等效光路包含前置红外镜头组、分光棱镜3和长焦红外镜头组，相对于短焦部分等效光路来说，整体焦距长、像面小，能实现高分辨窄视场成像。
34.参见图3，短焦部分的等效光路包含前置红外镜头组、分光棱镜3和短焦红外镜头组，相对于长焦部分等效光路来说，整体焦距短、像面大，能实现低分辨宽视场成像。
35.本发明的实施例如下：
36.前置红外镜头组按照光束传播经过的顺序排列依次是第一凹透镜1和第二凹透镜2，第一凹透镜1和第二凹透镜2的中心厚度分别为4.84mm和4.21mm；第一凹透镜1和第二凹透镜2中心线上的距离为13.03mm；第一凹透镜1的左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为73.21mm和46.75mm；第二凹透镜2的左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为119.16mm
和156.97mm，第二凹透镜2与分光棱镜3中心线上的距离为13.68mm；第一凹透镜1和第二凹透镜2的材料分别是硒化锌(znse)和砷化镓(gaas)；
37.长焦红外镜头组按照光束传播经过的顺序排列依次是第一光阑4、第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7和第二凸透镜8；分光棱镜3后1.99mm的地方设置了第一光阑4，第一光阑4的半径为24.93mm；第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7和第二凸透镜8的中心厚度分别14.21mm、10.95mm、15.00mm和15.00mm；第一凸透镜5和第一光阑4中心线上的间距为0.20mm；第一凸透镜5的两侧面都设有凸起，曲率半径分别为133.34mm、5.36
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105mm；第三凹透镜6和第一凸透镜5中心线上的间距为18.38mm；第三凹透镜6左右两侧都向出射侧凸起，曲率半径分别为126.45mm和115.68mm；第四凹透镜7和第三凹透镜6中心线上的间距为1.69mm；第四凹透镜7左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为236.60mm和66.69mm；第二凸透镜8和第四凹透镜7中心线上的间距为4.24mm；第二凸透镜8左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为111.02mm和1275.25mm；第一凸透镜5、第三凹透镜6、第四凹透镜7的材料都是硒化锌(znse)，第二凸透镜8的材料是锗(germanium)。
38.长焦红外像面9放在长焦红外镜头组之后，半径为9.58mm，长焦红外像面9与第二凸透镜8中心线上的间距为43.26mm。
39.短焦红外镜头组按照光束传播经过的顺序排列依次是第二光阑10、第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13、第三凸透镜14、第四凸透镜15、第八凹透镜16；分光棱镜3后1.74mm的地方设置了第一光阑10，第一光阑10的半径为11.78mm；第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13、第三凸透镜14、第四凸透镜15、第八凹透镜16的中心厚度分别是7.94mm、16.01mm、16.00mm、16.00mm、14.73mm和6.99mm；第五凹透镜11和第二光阑10中心线上的间距为2.41mm；第五凹透镜11的左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为53.76mm和40.91mm；第六凹透镜12和第五凹透镜11中心线上的间距为4.87mm；第六凹透镜12的左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为70.28mm和301.22mm；第七凹透镜13和第六凹透镜12中心线上的间距为15.03mm；第七凹透镜13的左右两侧都向入射侧凸起，曲率半径分别为184.35mm和81.42mm；第三凸透镜14和第七凹透镜13中心线上的间距为0.61mm；第三凸透镜14向入射侧凸起，向出射侧凸起，曲率半径分别为80.92mm和551.32mm；第四凸透镜15和第三凸透镜14中心线上的间距为0.10mm；第四凸透镜15向入射侧凸起，向出射侧凸起，曲率半径分别为1150.79mm和1857.25mm；第十二镜16片和第四凸透镜15中心线上的间距为4.44mm；第八凹透镜16的左右两侧都凸起，曲率半径分别为71.86mm和297.02mm；第五凹透镜11、第六凹透镜12、第七凹透镜13、第八凹透镜16的材料都是硒化锌(znse)，第三凸透镜14的材料是锗(germanium)，第四凸透镜15的材料是砷化镓(gaas)，采用这些材料能确保系统在8
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14um波段进行成像。
40.短焦红外像面17放在短焦红外镜头组之后，半径为18.91mm，短焦红外像面与第八凹透镜中心线上的间距为9.98mm。
41.由此构建的长焦红外镜头组整体的光圈数f为1.3，焦距为50mm，分辨率高达23.8lp/mm；短焦红外镜头组整体的光圈数f为1.6，焦距为30mm，分辨率高达14.7lp/mm。
42.参见图4，长焦部分的等效光路在分辨率为23.8lp/mm下窄视场(<10.9deg)的mtf值均大于0.5，并且曲线紧凑平滑，说明系统成像清晰、均匀，能够在8
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14um的红外波段下实现高分辨成像。
43.参见图5，短焦部分的等效光路在分辨率为14.7lp/mm下宽视场(<36.5deg)的mtf值均大于0.5，曲线平滑，较为紧凑，说明系统能够在8
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14um的红外波段下实现宽视场成像。